电流变阻尼器用于转子振动控制的实验研究

第11卷　第3期航空动力学报V o l111N o13 1996年7月Journa l of Aerospace Power Ju ly　1996电流变阻尼器用于转子振动控制的实验研究3西北工业大学 孟　光33　姚国治美国ABB公司燃汽轮机部 殷达章【摘要】　实验研究了电流变阻尼器在转子振动控制中的应用。

实验发现,电流变阻尼器的刚度及阻尼随外加电场强度的增加而增大,支承在电流变阻尼器上的转子系统的振幅在亚临界区及临界转速处随施加的电场强度的增加而减小,而在超临界处则随电场强度的增加而增大;系统的临界转速随电场强度的增加而升高。

电流变阻尼器提供的阻尼具有库仑阻尼和粘性阻尼的特点。

实验表明电流变阻尼器具有控振效果明显、瞬时可控、耗能小、频带宽及结构简单的特点。

　主题词:　转子　电流　变液　振动　控制　分类号:　O3281　前　言 电流变技术是当前国际上的高新技术,N iko lajsen等首次将电流变技术应用于转子振动控制,发现电流变阻尼器的阻尼减振效果很好且容易控制[1]。

T ichy[2]用电流变液体填充到挤压油膜阻尼器内,通过控制加在极板上的电场强度以达到控制转子振动的目的。

这一技术的关键是电流变液体,它是由细微的固体颗粒(尺度为1-100Λm)均匀分散在低导电率或绝缘的低粘度的母液中制得的悬浮体。

当在悬浮体中施加一电场时(～kV mm),液体的表观粘度增加几个数量级。

当电场强度达到一定值时,悬浮体由液态迅速向类固态转换,具有很大的抗剪切能力,当外加电场撤去后,又由类固态迅速回复到液态。

电流变液的这种特性使得由其做成的产品具有响应时间快、阻尼和刚度连续可调、能耗小和便于计算机控制等优点,在实现机电一体化的实时控制方面具有广阔的应用前景。

电流变液通常由三部分组成:(1)基础流体(分散介质):其要求是绝缘性好,零电场时粘度小。

目前最常用的为硅油;(2)固体微颗粒(分散相):要求粒度小,介电常数高。

目前常用的有有机半导体类、硅酸盐类、有机含水材料(如淀粉)、无机含水材料(如硅胶)及微晶等;(3)添加剂:固体或液体的表面活性剂。

性能良好的电流变液体应具有如下特性:零电场时的粘性系数小,屈服应力小;电流变效应明显,达到固化状态的电场强度低;基础流体的绝缘性好,化学性能稳定;不沉淀,无毒,无腐蚀,廉价,不含水。

在本文的研究中使用了两种自制的电流变液体,分别是用运动粘度为315×10-4m2 s和011×10-4m2 s的硅油与淀粉的混合物。

1995年8月收稿;1996年1月收到修改稿。

　3本文系国家自然科学基金及航空科学基金资助项目33西北工业大学振动工程研究所　7100722　实验装置及实验过程和结果 图1为实验装置简图,其由转轴,悬臂盘及电流变阻尼器组成。

转轴1的直径为2154c m ,图1　实验转子简图长为6119c m ;转轴2直径为2154c m ,长为25136c m ;悬臂盘的直径为10116c m ,厚为1191c m 。

阻尼器由5块静止和6块涡动摩擦板组成,板间距为1159mm 。

静止板做为电压负极,涡动板做为电压正极。

通过改变鼠笼杆的数量和紧度可使实验转子的一阶临界转速在5000r m in 和8000r m in 之间变化。

测试设备由位移及光电传感器,示波器,FFT 动态信号分析仪,AD DA 板及计算机组成。

电流变阻尼器所需的电压由一计算机可控的高压放大器施加,可将计算机输出的0到+10V 的模拟信号放大为最大为5000V 及2mA 的控制信号。

实验中首先对传感器及测试设备进行了校准和标定,接着对系统轴承的刚度进行了静态测量。

测试结果表明水平和垂直方向的刚度相差不大,可近似为相等的。

2.1　锤击法测试结果 利用锤击法测试了系统的自由振动和自然频率。

在不加电流变液时,测量的水平方向的自然频率为101H z (6060r m in ),垂直方向的自然频率为10215H z (6150r m in )。

同样利用锤击法测试了加315×10-4m 2 s 和011×10-4m 2 s 的电流变液后,并对电流变阻尼器施加零到2500V 电压情况下系统的自然频率。

实验结果表明:加电流变液后,在不加电压或低电压时,谱图的尖峰不明显,激发出了多阶模态,较难识别出系统的一阶自然频率。

随着电压的升高,尖峰逐渐突出。

另外,随着电压的升高,系统的峰值频率(或一阶自然频率)增大,这是因为阻尼器的刚度增加造成的。

实验发现,在低频时,主要是在亚临界区,011×10-4m 2 s 电流变液的电流变效应要显著的多,这可能是因为011×10-4m 2 s 液体本身在零电压时的粘度较小。

实验中发现系统自由振动的衰减表现出了线性衰减和指数衰减两种情况。

由于线性衰减表示了库仑(Cou lom b )阻尼的作用,而指数衰减则表示了粘性阻尼的作用,因而电流变阻尼器同时具有这两种阻尼特性。

初步实验表明:在大位移时,库仑阻尼占主导地位;而在小位移时则是粘性阻尼占主导地位,这一结果有待进一步验证。

2.2　系统的不平衡响应 首先实验研究了不加电流变液时系统的升速过临界响应及在不同转速时的响应轨迹,测点位置在阻尼器左端。

最大振幅出现在6000r m in 附近,故系统的一阶临界为6000r m in ,这与锤击法测得的结果非常接近。

由于陀螺效应的影响,实际的临界转速应该比锤击法测得的(静态)临界转速高,这里出现相近的结果可能是因为转子转动后引起了轴承和鼠笼等结构的松动,从而减少了支承刚度,造成了临界转速的下降。

接着测试了加了315×10-4m 2 s 及011×10-4m 2662航空动力学报第　11　卷图2的(a )和(b )分别是用上述两种电流变液时,系统在临界转速处的响应轨迹随施加电压的变化。

从图2(a )可见:当施加一定电压时(如500V ),系统在临界处的峰值减小了,但继续升高电压,对减小峰值几乎没有效果,只是使轨迹的形状发生了改变。

这表明存在一个能提供最佳阻尼的电压值,也表明用315×10-4m 2 s 电流变液的阻尼器在高电压时阻尼已基本不随电压变化了,而刚度可能产生了非对称,从而引起了轨迹主轴发生了偏转。

从图2(b )可见:电图2　在临界转速为(a )6000r m in 和(b )5800r m in 时转子轨迹随电压的变化压越高,系统在临界转速处的振幅越小。

与在0V 时的振幅峰—峰值相比,系统在2500V 时的振幅峰—峰值减小了45.3%。

另外,该图及其它结果表明用011×10-4m 2 s 电流变液的阻尼器在临界转速处的阻尼效果基本与施加的电压成正比,即在临界转速5800r m in 时系统响应的振幅峰—峰值A 为:A =01382-(01172 2500)V (mm )。

图3(a )和(b )分别表示用两种电流变液时的系统的频响曲线(波德(Bode )图)。

从图3(a )可见:对于315×10-4m 2 s 的电流变液,增加电压可在亚临界区减小响应振幅,但在超临界区却使振幅增大。

此外,在亚临界区,电流变效应也不显著,这可能是因为315×10-4m 2 s 液体本身的粘度很大。

在超临界,由于电流变阻尼器刚度的增大,使得第二个峰值越来越明显,可见这时阻尼器的刚度随电压的增加起了主导作用。

需再次说明的是加装011×10-4m 2 s 电流变液时,由于将转子系统重新进行了装配,从而使系统的临界转速从6000r m in 降为5800rm in 。

从图3(b )可以看出:当用011×10-4m 2 s 电流变液时,系统的临界转速从零电压时的5800r m in 提高到2500V 时的6200r m in ,这是因为增加电压使阻尼器的刚度增加了,因而使临界转速升高。

系统响应的振幅在亚临界区随电压增加而减小,而在超临界区则随电压的增加而增大。

在第二峰值前,第一峰值(临界)后振幅随电压的增大主要是由于第一临界随电压的升高而造成的,而在第二峰值处振幅随电压的增大可能是由于阻尼器刚度随电压的增加造成的。

对比图3(a )可以看出,在亚临界区和临界转速处,用011×10-4m 2 s 液体的电流变阻尼器对响应振幅的阻尼作用随电压的变化要比用315×10-4m 2 s 液体的显著得多,可见其阻尼器的阻尼作用占主导地位,其电流变效应在亚临界区较明显。

实验表明:可以通过选择恰当的电流变液体,合理地设计电流变阻尼器使阻尼器具有最佳762第　3　期电流变阻尼器用于转子振动控制的实验研究3图3　转子升速时的频响曲线随电压的变化(a )315×10-4m 2 s 液体和(b )011×10-4m 2 s 液体的阻尼和刚度特性。

另外还发现:用011×10-4m 2 s 液体的电流变阻尼器提供的库仑阻尼要比粘性阻尼大,而用315×10-4m 2 s 液体的阻尼器则刚好相反。

通过简单的“开关”控制即可达到使振幅在全转速区内最小的目的,即开始先施加2500V 电压,这时响应沿2500V 的曲线,过临界后切断电源,响应则沿着0V 的曲线。

其特性可在瞬间(几个毫秒内)发生变化。

3　结　论 实验研究了用电流变阻尼器控制一悬臂转子的振动,实验结果表明:(1)电流变阻尼器在亚临界区和临界转速处的控振效果很好。

支承在电流变阻尼器上的悬臂转子的振幅在亚临界区和临界转速处随电压增加而减小,在超临界区则随电压增加而增大。

(2)电流变阻尼器的刚度随电压增加而增大,因而系统的临界转速随电压的增加而增高。

(3)电流变阻尼器提供的阻尼具有库仑阻尼及粘性阻尼的特点。

一般情况下,对零电压时粘度小的电流变液体或大位移时,库仑阻尼占主导地位;而对零电压时粘度较大的电流变液体或小位移时,粘性阻尼占主导地位。

这一结果有待进一步验证。

(4)可以通过选择合适的电流变液体使电流变阻尼器的减振效果达到最优。

良好的电流变阻尼器具有减振效果明显,瞬时可控,频带宽,耗能小等特点。

参　考　文　献1　N iko lajsen J L ,Hoque M S .A n E lectro -V iscous D amper fo r Ro to r A pp licati ons .T rans .A S M E ,J .of V ibrati on and A 2coustics ,1990,112:440-4432　T ichy J .Behavi o r of a Squeeze F il m D amper w ith an E lectro -R heo logical F luid .STL E .J .of T ribo logy ,T rans .,1993,36(1):127-133(责任编辑　王震华)862航空动力学报第　11　卷033Journal of A ero space Pow er V o l.11 ro tary sp eeds of the cage and the balls decrease and their sk iddings becom e seri ou s as the th ru st goes dow n,esp ecially to a s m all value.So the m in i m um th ru st p reload fo r p reven ti on of sk idding of the balls on the inner race can be esti m ated.Key W ords　ro lling bearings　M echan ical drives　K inetic analysisINTER M ITTENT AND CHAOT I C PHENOM ENAIN A RUB I M PACT ROT OR S Y STE MChu Fule i,Feng Guanp i ng,Zhang Zhengsong(D ep t.of P recision Instrum en ts,Tsinghua U n iversity,B eij ing　100084)ABSTRACT V ib rati on characteristics of a rub i m pact ro to r system suppo rted on o il fil m bearings w ere investigated.E lastic i m p act and the Cou lom b type of fricti onal relati on2 sh i p w as assum ed.Ro tating speed and the system dam p ing w ere u sed as con tro l p aram eters to discover rou tes to and ou t of chao s and to study vari ou s fo r m s of peri odic、quasi-peri odic and chao tic vib rati on s.V ery rich typ es of chao tic vib rati on s w ere found fo r the m odel dis2 cu ssed.A lso the system m o ti on show s tw o differen t fo r m s of in ter m itten t phenom ena.O ne is the in terchange betw een peri odic and quasi-p eri odic vib rati on s.A no ther is betw een p eri2 odic and chao tic vib rati on s.V ib rati on featu res such as chao tic vib rati on,in ter m itten t p henom2 ena and b road-band of peri odic vib rati on can be effectively u sed to diagno se the rub i m pact fau lt w h ich often happen s in a ro to r system.Key W ords　Ro to rs　Chao s　V ib rati on　D am p ingEXPER I M ENTAL INVEST IGAT I ONON ROT OR V IBRAT I ON CONTROLB Y EL ECTRORHEOLOGI CAL DAM PERM eng Guang,Y i ng Dazhang,Yao Guozh i(Insitute of V ibra tion Eng ineering,N orthwestern p olytechn ica l U n iversity,X i’an　710072) ABSTRACT In th is pap er the E lectro rheo logical(ER)flu id and its characteris2 tics are in troduced b riefly and the app licati on of an ER dam per in ro to r vib rati on con tro l is studied exp eri m en tally.It is found that by increasing the app lied electrical field strength,the dam p ing and stiffness of ER dam per are increased,the vib rati on am p litude of the ro to r sys2 tem suppo rted on ER dam per is decreased in the sub-critical speed range and at the critical speed,and is increased in the super-critical sp eed range.T he critical speed of the ro to r sys2 tem can be changed by m ean s of the app lied electrical field strength.T he dam p ing p rovided by the ER dam p er has the p rop erties of bo th the Cou lom b dam p ing and the viscou s dam p ing. Experi m en tal resu lts show that the ER dam per has obvi ou s effect on vib rati on con tro l,and featu res in stan taneou s con tro l,little energy con sum p ti on and b road frequency range.B esides, it’s structu re is si m p le.Key W ords　Ro to rs　E lectric cu rren t　R heo stats　V ib rati on　Con tro l acti on AN EXPER I M ENTAL STUDY OF HEAT TRANSFERB Y JET I M P INGE M ENT ON ROUGHENED SURFACEW ITH IN IT I AL CROSSFLOWZhang Da l i n,Chang Ha ip i ng,Han D ong(2nd D ep t.N anj ing U n iversity of A eronautics and A stronautics,N anj ing　210016)Sheng Rongchang(Zhuzhou P o wer P lan t R esea rch Institute,Zhuzhou　412002)ABSTRACT I m p ingem en t heat tran sfer from the rib roughened su rface w ith。